แบคทีเรียที่มีเปอร์เซ็น G+C ต่ำและเป็นแบคทีเรียแกรมบวก

แบคทีเรียที่มีเปอร์เซ็น G+C ต่ำและเป็นแบคทีเรียแกรมบวก

Bacteria : The Low  G+C Gram Positives

·     The  low  G+C Gram – positive  bacteria  จัดอยู่ใน phylum Firmicutes  มี 3 Classes คือ   

1. Clostridia     (หัวข้อที่ 3.)

2. Mollicutes    (หัวข้อที่ 1.)

3. Bacilli          (หัวข้อที่ 4.)

  

หัวข้อที่ 1. Class  Mollicutes  (Mycoplasmas)

·      มี 5 orders และแยกเป็น 6 families 

·      orders  ที่ถูกศึกษามากคือ Mycoplasmatales (Entomoplasma ,  Mesoplasma  , Spiroplasma) , Acholeplasmatales (Acholeplasma), และ Anaeroplasmatales (Anaeroplasma,Asteroleplasma)

·       สมาชิกใน Class  Mollicutes มักจะถูกจะเรียกว่า Mycoplasma

·    ไม่มี Cell wall  เนื่องจากว่าไม่สามารถสังเคราะห์ peptidoglycan  precursors ได้

·       มีเฉพาะ plasma  membrane เท่านั้น  ดังนั้นจึงมีรูปร่างได้หลายแบบ มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.3 –0.8 mm มีลักษณะตั้งแต่รูปร่างคล้ายลูกแพร์ หรือ Flask (ซึ่งช่วยในการเกาะกับ eucaryotic  cells) จนถึง เป็นแบบ helical  filaments

·      เป็นแบคทีเรียที่เล็กที่สุด  ส่วนมากเป็น nonmotile บางชนิด  สามารถ glide ได้

·      ต้องการ sterols ในการเจริญเติบโต

·        ส่วนมากเป็น facultative  anaerobes  บางชนิดเป็น obligate  anaerobes

·         ลักษณะโคโลนีบนอาหารวุ้น  เป็นแบบ fried – egg  appearance  คือ โคโลนีตรงกลางจะเจริญลงไปใน agar  ส่วนวงรอบจะเจริญบนผิว agar

·      genome  มีขนาดเล็กมากๆ ประมาณ 5-10 ´10 ⁸  daltons

·        G+C  content  23-41 %

·         Mycoplasma  genitalium  พาราไซท์ใน genital  และ ท่อทางเดินหายใจ มี genome  ขนาด 580 kb = 482 genes

·         Mycoplasmas  ต้องการ sterols  ซึ่งถูกใช้ไปประกอบใน plasma membrane  membrane  sterols  นี้อาจช่วยให้มีการ osmosis ที่คงตัว

·        ไม่มี TCA Cycle  ที่สมบูรณ์

·      บางชนิดสร้าง ATP จาก Embden – Meyerhof  pathway และ lactic  acid  fermentation     บางชนิดสามารถ metabolize  arginine  หรือ urea เพื่อสร้าง ATP

·      สามารถ isolate  ได้จาก สัตว์ พืช ดิน หรือ ซากที่เน่าเปื่อยต่างๆ

·          10 %  mammalian  cell  culture   ในห้องทดลอง  อาจมีการ contaminate  ของ mycoplasma ด้วย  ซึ่งจะ interfere  การทดลอง พวกนี้จะตรวจสอบและกำจัดยาก

·          M.  pneumoniae  ทำให้เกิด atypical  pneumonia ในมนุษย์     genome  ของมันถูก sequence พบว่า pathways of  amino  acid biosynthesis  ไม่มี    แสดงว่าเป็น  parasitic  lifestyle

·     นอกจากนี้แล้วพบว่า mycolasmas  ยังทำให้เกิดโรคที่เกี่ยวกับทางเดินหายใจใน วัว หมู และไก่อีกด้วย เช่น

M.  mycoides           ®    contagious  bovine  pleuropneumonia  ในวัว

M. gallisepticum     ®     chronic  respiratory  disease    ในวัว

M.   hyopnemoniae ®     pneumonia       ในหมู

·       spiroplasmas  พบใน  แมลง และพืชต่างๆด้วย

หัวข้อที่ 2. Low  G+C Gram – positive  bacteria  in  Bergey’s  Manual

·   ถูกจัดอยู่ในพวก 1) Gram – positive  cocci, 2) Endospore  forming  gram  positive  rods and  cocci  และ 3) Regular, non  sporing  gram – positive  rods ซึ่งการจำแนกในการตีพิมพ์ครั้งแรกนี้ได้จากการสังเกต  phenotypes  เช่น รูปร่างมี endospore,  การใช้ O₂,   peptidoglycan  chemistry และอื่นๆ

·          peptidoglycan  structure  เป็นโครงสร้างที่สำคัญที่ใช้จำแนกแบคทีเรียในกลุ่มนี้

-          Gram – negative  bacteria  ส่วนมากมี meso- DAP (diaminopimelic  acid) ตำแหน่งที่ 3 มีพันธะกับ C – terminus ของ D-alanine  ของ peptide  chain  ที่ติดกัน  ซึ่งโครงสร้างอันนี้ก็สามารถพบใน Gram – positive  genera พวก Bacillus  ,Clostridium , Lactobacillus , Corynebacterium , Mycobacterium และ Nocardia ด้วย

-          Gram – positive  bacteria  อื่น จะไม่มี meso – DAP ในตำแหน่งที่ 3 แต่จะมี L- Lysine แทน และมี interpeptide  bridge ซึ่งประกอบด้วย monocarboxylic  L- amino  acids หรือ glycine หรือทั้งคู่

-          Streptomyces และพวก actinobacterial  genera มี L-L,diaminopimelic acid ในตำแหน่งที่ 3 แทนที่ meso-DAP และมี interpeptide  bridge เป็น glycine  1 ตัว

-          ในพวก plant  pathogenic  corynebacteria  บางชนิดมี interpeptide  bridge เชื่อมระหว่างตำแหน่ง 2 กับ 4 ของ peptidesubunits ไม่ใช่ตำแหน่ง 3 กับ 4  เหมือนแบคทีเรียตัวอื่น

-          Bacilli  และ Gram – negativec  bacteria  ส่วนมากมีพันธะที่ต่อระหว่าง muramic  acid  กับ peptide  อื่นน้อยกว่า  Gram – positive bacteria เช่น Staphylococcus  aureus ซึ่ง muramic acid  ทุกตัวต่อกับ peptide อื่น

·         Bacterial  endospore      เป็นอีกโครงสร้างหนึ่งที่สำคัญในการจำแนกแบคทีเรียในกลุ่ม    Gram – positive  bacteria

-          กลมหรือรูปไข่  มี spore  coat  และ inner  spore  membrane

-          ประกอบด้วย dipicolinic  acid  ซึ่งทนต่อความร้อน        spore  นี้สามารถ อยู่ในระยะพักได้นาน         endospore  ของ  Bacillus  sphaericus มีชีวิตอยู่ได้นานถึง 25 ล้านปี !!!

-          การตรวจสอบสปอร์ spore staining  หรือ โดยให้ความร้อนที่ 70-80 C, 10 นาทีแล้วนำไปเพาะบนอาหารเลี้ยงเชื้อ (เนื่องจาก endospores และ thermophiles เท่านั้นที่จะอยู่รอดที่ความร้อนเท่านี้)

·      ใน Bergey’s manual  เล่มใหม่  จัด  low G+C  Gram-positive  bacteria  เป็น 2 classes คือ

            1.  Clostridia     

   และ  2.   Bacilli

หัวข้อที่ 3. Class   Clostridia

·        มี 3 order  , 11  families 

·          จีนัสที่ใหญ่ที่สุด  คือ Clostridium  มีมากกว่า 100 สปีชีส์

·          Clodtidium  เป็น anaerobic และมี endospore ที่ทนทานต่อความร้อน  Clostidium นี้จะพบมากในอาหารที่เสีย  รวมถึง อาหารกระป๋องที่เสียๆด้วย  C. botulinum   ทำให้เกิด botulism 

·          Clostidium  สามารถ ferment  กรดอะมิโน เพื่อสร้าง ATP  โดยจะออกซิไดส์กรดอะมิโนตัวหนึ่งแล้วใช้อีกตัวหนึ่งเป็น electron  aceceptor  กระบวนการนี้เรียกว่า          Stickland  reaction  ในกระบวนการนี้จะได้ ammonia , hydrogen  sulfide , fatty  acids และ amines  ระหว่างการ ferment  proteins  สารเหล่านี้มีกลิ่นที่แรง

C. tetani    ทำให้เกิด tetanus /  C. perfringens  ®gas  gang rene และอาหารเป็นพิษ  / C. acetobutylicum     ใช้  ผลิต butanol

·          จีนัสอื่นที่น่าสนใจ  เช่น  Desulfotomaculum  ® anaerobic  endospore  - forming  genus   สามารถรีดิวซ์  sulfate  และ sulfite ให้เป็น hydrogen  sulfide  ระหว่าง anaerobic  respiration

Desulfotomaculum  มี cell wall แบบ  Gram – positives  แต่ย้อมสีติดแบบ Gram – negatives

·          Heliobacteria ®  genera  Helisbacterium กับ Heliophilum  เป็น  anaerobic  photosynthetic  bacteria  มี chlorophyll เป็น bacteriochlorophyll g มี photosystem  type I   มี   reaction  center  คล้ายกับ green  sulfer  bacteria  แต่ไม่มี intracytoplasmic  photosynthetic  membranes ซึ่งมี  pigment  s  อยู่ใน plasma  membrane  คล้ายกับ  Desulfotomaculum  ตรงที่ย้อมติดสี Gram – negatives  แม้ว่าจะมี cell  wall เป็นแบบ Gram – positive   cell  wall  มีปริมาณ  peptidoglycan  ต่ำ  และ heliobacteria  บางชนิดสร้าง andospores

·          genus  Veillonella      Bergey’s  เล่มเก่าจัดอยู่ใน  anaerobic  Gram- negative   cocci

-          อยู่ใน family  Veillonellaceae  เป็น anaerobic  , chemoheterotrophic  cocci  ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.3 – 2.5 mm ปกติจะพบเป็น diplococi (ด้านที่ติดกันจะแบน) แต่สามารถพบเห็นเป็นเซลล์เดี่ยวๆ กลุ่มหรือโซ่ต่อกัน

-          สามารถใช้ carbohydrates , lactate , organic  acids  และใช้ amino  acids ในการผลิตก๊าซ CO₂ และ H₂ 

-          พวกนี้จะเป็น parasites ใน homeothermic  animals (สัตว์เลือดอุ่น)

-          Veillonella มีมากที่ tongue surface และที่ฟันของคน  และยังสามารถ isolate ได้จาก vagina    Veillonella สามารถปรับตัวได้ดีในช่องปาก เพราะมันสามารถใช้ lactic acid  ซึ่งได้จาก การย่อย carbohydrates  ของ sterptococi และแบคทีเรียในช่องปากตัวอื่นได้

หัวข้อที่ 4. Class  Bacilli

          มี 2 order  , 16 families  , ประมาณ 59 genera  ซึ่งในที่นี้จะพูดถึง 2 order  หลักๆคือ Bacillales กับ Lactobacillales

4.1 Order  Bacillales

·          family  ที่ใหญ่ที่สุดคือ Bacillaceae ® genus  Bacillus

·          Bacillus  genes  เป็น Gram – positive  , endospore – forming , chemoheterotrophic  rods  ซึ่งสามารถเคลื่อนไหวได้และมี flagella

·          เป็น aerobic  บางครั้งเป็น facultative  ได้  และ catalase  positive

·          ในการตีพิมพ์หนังสือของ Bergey’s ครั้งที่ 2 มี genera  แบ่งออกมาอีก 2 อันคือ

- Alicyclobacillus เป็นพวก acidophilic , sporing , gram – positive หรือ gram – variable rods  ซึ่งมี w – alicylic   fatty  acids ที่มี 6 หรือ 7 – carbon  rings อยู่ที่ membrane  เป็น aerobic  หรือ facultative  G+C content 51-60 %

- Paenibacillus  [ Latin  paene  = almost , and  bacillus] เป็น Gram – positive  rods เคลื่อนไหวโดย peritrichous flagella มี ellipsoidal  endospores  และ sporangia ที่บวม  สร้างกรดหรือ gas ได้จากการย่อยสลาย glucose หรือน้ำตาลตัวอื่น  G+C  content 40-54  %   เช่น Paenibacillus  alvei . P. macerans และ P. polymyxa

·          Bacilluc  subtilis  มี genome  = 4.2 ล้าน bp มี ABC  transporters อยู่มาก มียีนที่ใช้ใน catabalism ของ diverse  carbon  sources มียีนที่ใช้สังเคราะห์ antibiotic และมี DNA จาก bacteriophage อย่างน้อย 10 prophages

·         Bacillus  สร้างยาปฏิชีวนะ  เช่น bacitracin , gramicidin และ polymyxin

B. cereus   ®      food  poisoning  และสามารถ infect  humans

B. antracis ®      antirax   ในคนและสัตว์

B.  sphaericus ® มี solid  protein  crystal  เรียกว่า   parasporal  body   

ใกล้กับ  spores ระหว่างการสร้าง endospore

B. thuringiensis ® มี parasporal  body  ที่เป็นพิษ ฆ่า moth ได้มากกว่า 100 ชนิด          สารพิษนี้ทำลาย  gut  epithelium      ส่วนมาก toxin  gene  จะอยู่บน  plasmid  B. sphaeroicus  มีโปรตีนที่ toxic ต่อลูกน้ำของยุง  

·         Genus  Thermoactinomyces เป็น thermophilic  เจริญที่อุณหภูมิ 45-60 ° C

      สร้างสปอร์ทิ้งใน aerial และ substrate  mycelia

     มักจะพบตามกองฟางที่ชื้น  กองขยะที่เน่าเปื่อย  และที่ที่มีอุณหภูมิสูงๆ    

     สปอร์ของ Thermoactinomyces เป็น endospores ซึ่งทนต่อความร้อนสูง

    ซึ่งสามารถอยู่รอดที่อุณหภูมิ 90 ° C  ถึง 30 นาที   endospore นี้จะฟอร์มที่

     hyphae ภายในมี calcium และ dipicolinic acid   Thermoactinomyces 

     vulgaris  พบในกองฟาง   โรงนาที่ใช้เก็บเมล็ดพืช 

     เป็นตัวทำให้เกิดโรคภูมิแพ้ในระบบหายใจในเกษตรกรนี้     

     เร็วๆนี้มีการค้นพบสปอร์ของ T. vulgaris ในโคลนของทะเลสาบ Minnesota  

     ซึ่งอยู่มากว่า 7,500 ปี

·          Genus  Caryophanon เป็น strictly  anaerobic  Gram positive  bacteria  , catalase  positive  และเคลื่อนไหวได้ด้วย peritrichous  flagella  ในธรรมชาติพบที่มูลของวัว  มีลักษณะเซลล์เป็น disk – shaped  (1.5 – 20 mm ´ 0.5 – 1.0 mm ) เกาะกันเป็นตั้งๆ จนเป็นรูป rods ยาว 10-20   mm

 ·          family  Staphylococcaceae มี 4 genera  genus  ที่สำคัญคือ Staphylococcus ซึ่งเป็น facultatively  anaerobic  ,nonmotile, Gram – positive  cocci  ,มักจะฟอร์มเป็นพวงองุ่น ,catalase  positive , oxidase  negative  , ferment  glucose  , มี  teichoic  acid ในโครงสร้างของ cell walls  Staphylococci  มักพบที่ผิวหนัง เยื่อหุ้มเมมเบรนในสัตว์เลือดอุ่น Staphylococcus  epidermidis           ติดเชื้อในแผลเป็นจากการผ่าตัด ท่อปัสสาวะ   S. aureus  เป็น pathogen  ที่สำคัญต่อคน      แผลหนอง แผลติดเชื้อ   pneumonia, toxic  shock  syndrome  และ โรคอื่นๆ  S. aureus  เป็นเชื้อดื้อยา (multidrug  resistance) รักษาค่อนข้างยาก

S. aureus  สร้างเอนไซม์  coagulase ซึ่งทำให้  blood  plasma  แข็งตัว

·          Listeria, family  Listeriaceae  เป็นจีนัสหนึ่งที่สำคัญทางการแพทย์เป็น short  rods , aerobic หรือ facultative  , catalase  positive  และ motile โดย peritrichous  flagella  พบมากใน ซากสิ่งเน่าเปื่อย Listeria  monocytogenes เป็น pathogen  ในคนและสัตว์และทำให้เกิดโรค listeriosis  ; food  infection

4.2      Order  Lactobacillales

·          สมาชิกของ  order  Lactobacillales  หลายๆ ตัวสร้าง lactic  acid  ซึ่งเป็นสารหลักของ fermentation  product  แบคทีเรียนี้จึงถูกเรียกว่า lactic  acid  bacteria

·          สมาชิกในกลุ่มนี้เช่น  Streptococcus  , Enterococcus ,Lactococcus , Lactobacillus  และ Leuconostoc 

·          เป็น nonsporing , nonmotile ไม่มี  cytochromes ซึ่งจะได้พลังงานจาก substrate  level  phorphorylation  แทนที่จะเป็นจาก electron   transport และ oxidation  phosphorylation และ lactobacillales นี้จำเป็นต้องใช้ sugar ใน fermantation  เพื่อให้ได้พลังงาน เป็นพวกที่เลือกกันและจำเป็นต้องใช้ vitamins , amine acids , purines  และ pyrimidines ในการเจริญเติบโต เนื่องจากมีความสามารถของ biosynthetic  ที่จำกัด  lactic  acid  bacteria  มักจะถูกจำแนกเป็น  facultative  anaerobes  บางตำราจัดแบคทีเรียกลุ่มนี้เป็น  aerotolerant  anaerobes 

·          genus  ที่ใหญ่ที่สุดใน order  นี้คือ Lactobacillus ซึ่งมีเกือบ 80 species 

-          Lactobacillus  ประกอบด้วยพวก non  sporing rods และ coccobacilli ซึ่งเป็น catalase  negative  และไม่มี Cytochromes เป็น  facultative  หรือ microaerophilic  สร้าง lactic  acid  เป็นผลิตภัณฑ์หลักหรือผลิตภัณฑ์เดียวของ fermentation  ต้องการสารอาหารหลายอย่างมากในการเจริญ

-          Lactobacilli  ใช้ Embden-Meyerhof  pathway (glycolysis) = homolactic  fermentation หรือใช้ pentose  phosphate  pathway  = heterolactic  fermentation โตที่ pH 4.5 – 6.4  Lactobacillus  พบที่บริเวณผิวพืช  ผลิตภัณฑ์นม, เนื้อ ,น้ำ ,น้ำในท่อระบาย,  เบียร์, ผลไม้ และยังพบในช่องปากของคน, ลำไส้และ vagina  แต่โดยปกติแล้วจะไม่ใช่ pathogen 

-          Lactobacillus  ใช้ในผลิตภัณฑ์พวกผักดอง, เบียร์, ไวน์, น้ำผลไม้, ชีส, โยเกิต และไส้กรอก 

โยเกิต ทำจาก nonfat  หรือ low- fat  milk  ที่ผ่านการฆ่าเชื้อโดย pasterrization  แล้วทำให้เย็นที่ 43 °C  หรือต่ำกว่า  เติมด้วย Streptococcus  thermophilus  และLactobacillus  bulgaricus   S. thermophilus  จะโตในช่วงแรกอย่างรวดเร็ว  ทำให้นมเป็น anerobic  และ   มีความเป็นกรดเล็กน้อย จากนั้น L . bulgaricus  ทำให้นมมีความเป็นกรดมากขึ้น การทำงานของทั้ง 2  species  ทำให้ lactose ถูกเปลี่ยนเป็น lactic acid  และให้รสของโยเกิตด้วย  diacetyl  (S. thermophilus) และ acetaldehyde ( L.bulgaricus) ผลไม้และรสผลไม้จะเป็นส่วนผสมที่ใส่เข้าไปทีหลัง

-          Lactobacillus บางครั้งทำให้เกิด เบียร์ นม หรือ เนื้อสัตว์เสีย เนื่องจาก end 

Products จากเมตโบลิซึมของมันทำให้เกิดกลิ่นหรือรสที่ไม่ปรารถนา

·        Leuconostoc,  family  Leuconostocaceae ประกอบด้วย facultative  Gram-positive  cocci   ซึ่งสามารถยาวขึ้นหรือเป็นรูป elliptical  และมีการจัดเรียงตัวเป็นคู่หรือต่อกันเป็นโซ่

-          เป็น calalase  negative  ไม่มี  cytochromes และใช้ heterolactic  fermentation  เท่านั้น ซึ่งจะเปลี่ยน glucose  เป็น D – lactate และ ethanol  หรือ acetic  acid โดยใช้  phosphoketolase  pathway 

-          สามารถแยกได้จากพืช นม  จีนัสนี้ใช้ในการผลิตไวน์  การหมักดอกผักทำ buttermilk , butter  และ cheese        L. mesenteroides ใช้สังเคราะห์ dextrans จาก sucrose และอยู่ในที่ที่มีความเข้มข้นของน้ำตาลสูงๆได้ ดังนั้นจึงสามารถโตได้ใน syrup และเป็นปัญหาในอุตสาหกรรมการผลิตน้ำตาล

·       ที่อีก families ที่สำคัญ ใน order นี้คือ Enterococcaceae (Enterococcus) และ sterptococcaceae ( Streptococcus, Lactococcus) ซึ่งเป็น chemohetherotrophic , mesophilic , nonsporing, gram- positive  cocci      genus ที่สำคัญคือ Streptococcus ซึ่งเป็น facultatively anaerobic  และ catalase negative

-          Streptococci มีความใกล้ชิดกับแบคทีเรียในกลุ่ม Enterococci  และ Lactococci จะปรากฏเป็นคู่หรือสายเมื่อเลี้ยงให้ liquid  media  ไม่มี  endospores และส่วนมากจะเป็น nonmotile จีนัสนี้เป็น chemoheterotrophs ที่ ferment  sugars ได้ lactic acid  แต่ไม่มีก๊าซเกิดขึ้น โดยใช้ homolactic  fermentation

-          Streptococci  จะมีลักษณะหลายๆอย่างคล้าย Enterococci และ Lactococci

-          วิธีที่ใช้จำแนกแบคทีเรียใน 3 กลุ่ม  นี้คือ ความสามารถในการ lyse  เม็ดเลือดแดง ในขณะที่โตบน  blood  agar (มี 5% sheep หรือ horse blood )

-          a - hemolysis = 1-3 mm  zone สีเขียว เกิดจาก   incomplete  hemolysis  รอบๆ streptococcal  colony

-          b - hemolysis  = clear  zone  หรือ complete  lysis 

-          การตรวจสอบด้วยวิธีตรวจหา antigen  จาก cell wall ของ streptococci  ซึ่งจะพบ  polysaccharide และ  teichoic  acid  antigens ที่ wall  และ plasma  membrane เรียกการตรวจวิธีว่าเป็น Lancefield  grouping system

-          สมาชิกของกลุ่ม streptococci , enterococci  และ lactococci ที่สำคัญเช่น Streptococcus  pyogenes (pyogenic = pus  producing)ทำให้เกิดเจ็บคอ , acute  glomerulonephritis และ rheumatic  fever 

              S. pneumoniae  เป็น a - hemolytic  พบเป็นคู่ cocci ทำให้เกิด pneumonia และ otitis media (ติดเชื้อของหูชิ้นกลาง)

              S. mutans  ทำให้ฟันผุ  E. faecalis พบในลำใส้ของคนเรา ซึ่งจะทำให้เกิดโรคตามโอกาสคือโรค urinary  tract infections และ endocarditis  enterococci ต่างกับ streptococci  ตรงที่มันสามารถเจริญได้ใน NaCl 6.5 % lactococci  สามารถ ferment  sugars ได้ lactic  acid และสามารถโตได้ที่ 10 °C แต่โตไม่ได้ที่ 45 °C     L. Lactis ใช้ในการทำ  buttermilk และ cheese ซึ่งสามารถสร้างสารให้รส พวก diacetyl  และสารอื่นๆได้ 

 -----------------------------------------------------------